基于P89C51的继电保护测试仪的设计

党剑飞，余保庆，闫 勇

(驻马店供电公司，驻马店 463000）

0 引言

继电保护是电网不可分割的一部分，它的作用是当电力系统发生故障时，迅速地有选择地将故障设备从电力系统中切除，保证系统的其余部分快速恢复正常运行; 当发生不正常工作情况时，迅速地有选择地发出报警信号，由运行人员手工切除那些继续运行会引起故障的电气设备。可见，继电保护对保证电网安全、稳定和经济运行，阻止故障的扩大和事故的发生，发挥着极其重要的作用。随着电力系统自动化技术的不断发展，对电力系统继电保护装置的要求也随之提高，传统电磁式继电保护测试装置已很难对继电保护装置的各方面特性进行全面测试，不再适应技术发展的需要。本文在充分调查和研究国内外继电保护技术和继电保护测试装置技术发展的基础上，根据当前微机型继电保护测试装置在系统结构上存在的不足，设计出一款基于P89C51单片机的继电保护测试仪，以充分发挥微型计算机软件开发和微处理器硬件操作两方面的优势。

1 微机型继电保护测试系统

微机型继电保护测试系统，主要由信号控制单元、电流电压放大器和开关量输入通道组成。信号控制单元以微机为主构成，实质上是一个可编程的信号发生器，模拟电力系统各种正常和故障状态下的电气量，它输出的是弱信号，经电流、电压放大器放大成具有一定功率的电流、电压激励信号，开关量输入通道检测继电保护装置的保护动作信号。当前的继电保护微机型测试装置具有以下特点：

1）不同测试均可通过编制不同的软件来实现，能正确模拟电力系统各种类型的瞬时、永久以及转换性故障，整组试验方便；

2）用数字方法合成试验波形，如正弦波或叠加直流分量和高次谐波，可测试保护继电器的稳态特性或暂态特性；

3）输出试验电压、电流的频率可调节，能对频率继电器进行定值校验试验；

4）对现场电源无特殊要求，采用单相电源可获得三相试验电流、电压的输出，不受现场电源电压畸变的影响，但输出功率不易提高：

5）能自动搜索继电器的定值，并能显示(或打印)其定值、动作时间及动作特性曲线，能构成自动测试系统，智能化高；

6）操作界面采用人机对话方式，操作方便；不需外接表计，接线简单。

2 基于98c51单片机的继电保护测试仪芯片选择

在本系统中，芯片选型考虑如下：

CPU：主要做控制应用，运算应用较少，运行速度不需要太高，考虑到开发的简便性，选择MCS-51系列单片机做主控CPU。综合考虑，选用PHILIPS公司的P89C51。该型号CPU片内带4KB FLASH程序存储器，速度可达33MHz，全静态操作，可直接控制64KB RAM和64KB ROM.

RAM：选取ISSI公司的IS61C512。该芯片容量为64KB，功耗低，价格便宜，而且与128KB容量的IS61C1024引脚兼容，便于替换。这里要考虑到系统处理的数据量很大，而且进行程序更新时，还要用来缓存下载的程序代码。

FLASH：系统对代码存储器容量需求较大，对掉电之后能保存数据的存储器容量也有要求，综合各种因素，选用AMD公司具有2MB容量的FLASH存储器AM29F016B。该芯片引脚与4MB节容量的AM29F032B兼容，功耗低，容易使用。

液晶：主要作为人机交互的界面使用，中文显示。界面显示元素较多，需要稍大一点的显示屏。为了降低开发难度，选用台湾达威公司的240×128点阵液晶模块。该液晶模块已将控制器T6963C集成在内部，与单片机接口简单，性能稳定可靠，使用寿命长。

串口控制器：由于串行通信的速率要求比较高，而且系统需要两个串行口，单片机自身难以完成，必须用外部扩展的串行口。本系统选用PILIPS公司的双异步串行收发器SCC2692，速率可达115.2Kb/s,与单片机接口容易。电平转换芯片选用MAXIM公司的RS-232串口电平转换芯片MAX232.

可编程逻辑器件：系统中可编成逻辑器件的使用较为简单，主要是用于系统中地址锁存、地址译码、扩展控制口，占用的资源不多，选用Altera公司的常用CPLD芯片EPM7064即可。

时钟器件：系统需要实时时钟，用单片机软件定时是不可行的，必须外扩一片带电池的日历时钟芯片。本系统选用PHLIPS公司的PCF8563P芯片。

键盘：根据客户需要，系统使用4×4阵列式薄膜键盘，考虑到单片机资源使用情况，直接使用单片机的P1口与键盘连接，应用软件扫描识别按键，不再使用键盘控制芯片进行扩展。

3 硬件设计

3.1 总体结构

继电保护测试仪的单片机模块可细分为：单片机P89C51、存储扩展部分、串行口扩展部分、液晶显示部分、实时时钟部分以及电源模块。总体结构框图如图1所示。

图1 继电保护测试仪单片机模块总体结构框图

所有芯片均为+5V供电，由系统电源输出，输入到本模块时，加磁珠和滤波电容进行滤波，减少电源对本模块的干扰。

3.2 P89C51单片机电路

P89C51工作原理如图2所示：

图2 继电保护测试仪单片机P89C51电路原理图

单片机P89C51的P0端口（图3.3中的D0～D7是它的网络标号）和P2端口(A8～A15是它的网络标号)作为地址/数据总线使用，其中P0端口是地址/数据复用端口，低8位地址（A0～A7）由可编程逻辑器件EPM7064锁存输出.P1端口用来和4×4键盘接口，四根行线被拉高，这是一种最简单的键盘连接方法，由软件实现案件扫描、消抖动和识别键值。P3端口中P3.6和P3.7用于系统总线中的控制信号WR和RD，P3.0和P3.1通过软件模拟用作总线中的数据线SDA和时钟线SCL，P3.2作为外部中断输入端口用于串口控制器SCC2692，P3.3用于控制看门狗芯片。单片机的运行时钟由外接的12MHz晶体和其内部的振荡电路产生。单片机的复位和看门狗功能由芯片IMP706P完成。

3.3 存储扩展电路

本文将RAM空间分配如下：

低端32KB(0x0000～0x7fff):用于外部数据存储器扩展

高端32KB(0x8000～0xffff):留给外部设备扩展

本系统选用的RAM芯片具有64KB容量的存储器，而系统需要更大容量的数据RAM，因此，本系统采用存储器分体技术。将64KB的RAM分成两个32KB的存储器，使用该芯片的地址总线最高A15来区分，A15为“0”选择一个存储体，A15为“1”选择另一个存储体，将小存储体的地址线(A0～A14)直接连到单片机地址总线的(A0～A14)，使其映射到分配的空间。存储体的选择信号使用一个软件可以驱动的端口线来控制，比如P3端口的某根线，在本系统中由单片机的CPLD来控制。

本系统中ROM存储空间分配如下：

0x0000～0x0fff共4KB：在单片机内部，存储“在系统编程”的代码

0x1000～0x8fff共32KB：使用存储器分体技术分配给AM29F016B使用

0x9000～0xffff共28KB：系统不用。

本系统中，要应用超过64K字节容量的程序存储器，也要像RAM一样使用存储器分体技术。

3.4 串行口扩展电路

根据系统的需求，使用PHILIPS公司的串行口扩展芯片SCC2692扩展了两路串行口，一路与计算机通信。SCC2692芯片有多种封装模式，这里选择44脚的PLCC封装。

系统串口扩展部分的电路原理如图3所示。

图3 串口扩展部分电路原理图

将SCC2692引脚D0～D7连接到单片机的数据总线；将A0～A3连接到单片机地址总线的A0～A3；将引脚INTRN连接到单片机的外部中断0（INT0）,WRN和RDN连接到单片机的WR和RD；在两个振荡器引脚X1，X2之间接入一个3.6864MHz的晶体（这样该芯片的主时钟即为3.68MHz）；将通道A的串行同信线TXDA、RXDA直接连接到内核模块；将通道B的串行同心县TXDB、RXDB通过电平转换芯片MAX232连接到计算机；多功能输入口线（IP0～IP6）和输出口线（OP0～OP7）在本系统中没有应用，可以不连。

3.5 实时时钟电路

本系统提供实时时钟，用于记录使用仪表时的日期和时间。本文选用PHILIPS公司的日历时钟芯片PCF8563来实现。

PCF8563有16个8位寄存器：一个可自动增量的地址寄存器，一个内置32.768kHz的振荡器（带有一个内部集成的电容），一个分频器（用于给实时时钟RTC提供源时钟），一个可编程时钟输出，一个定时器，一个警报器，一个掉电检测器和一个400kHz总线接口。所有16个寄存器设计成可寻址的8位并行寄存器，但不是所有位都有用。前两个寄存器（内存地址00H,01H）用于控制寄存器和状态寄存器，内存地址02H～08H用于时钟计数器（秒～年计数器），地址09H～0CH用于报警寄存器（定义报警条件），地址0DH控制CLKOUT引脚的输出频率，地址0EH和0FH分别用于定时器控制寄存器和定时器寄存器。秒、分钟、小时、日、月、年、分钟报警、小时报警、日报警寄存器均为BCD格式编码，而星期和星期报警寄存器不以BCD格式编码。当一个RTC寄存器被读时Ω，所有计数器的内存被锁存，因此，在传送条件下，可以禁止对时钟/日历芯片的错读。 实时时钟电路原理图如图4所示。

图4 继电保护测试仪实时时钟电路原理图

4 软件流程

整个系统的软件设计相当复杂，软件编写工作量很大。使用单片机C语言来编写大型模块化程序，可以大大降低程序编写的难度和工作量。系统软件流程图如图5所示。

图5 继电保护测试仪单片机系统软件流程图

系统上电时。先运行单片机内部的boot程序，配置FLASH和RAM，初始化串行控制器，在0.5秒内查询是否有程序更新指令，若有，则运行更新程序，若无则转至外部FLASH程序存储区，执行系统程序。

5 结论

本文详细介绍了继电保护测试仪P89C51单片机模块的硬件和软件设计过程。在进行本项目设计时，需要注意以下几点：

1）软、硬件设计都需要考虑模块化设计。硬件模块化设计有利于调试，软件模块化设计有利于程序编写和分工合作。

2）项目方案制定后，先应进行硬件系统和软件系统的总和设计；确定各部分所要完成的功能，再分开来设计，加快项目进度。

3）硬件设计要尽量选用典型、成熟的电路，便于快速调通硬件，缩短项目时间。

4）数字逻辑尽量使用可编程逻辑器件实现，既可以减少芯片数量和PCB板面积，也可以增加电路设计的灵活性。

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